1.7. Управляемые шунтирующие реакторы (компенсаторы) с разнесенными обмотками

При больших напряжениях и больших мощностях управляемых реакторов они не вписываются в транспортные габариты по высоте и по ширине даже при пофазном исполнении. В этом случае целесообразно разделять обмотки на две равные части, помещая их вокруг разных стержней (см. рис.1.28). При этом обмотки должны быть намотаны на стержни таким образом, чтобы они создавали магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу в одном и том же направлении, как показано на рис.1.28. В этом случае каждая обмотка рассчитана на половину рабочего напряжения: одна часть обмотки на напряжение 0-0,5UФ Н. , а вторая на напряжение 0,5UФ.Н −UФ.Н .

Соединенные последовательно вместе эти разделенные обмотки работают под номинальным напряжением. Соответственно число их витков определяется формулой (1.40) с учетом увеличенных расстояний от торцов обмоток до ярем, поскольку в отличие от рассмотренного в § 1.2 случая торцевые части обмоток находятся не под нулевым потенциалом, а под напряжением половины обмотки или по напряжением 0,5U ном . Поэтому высота окна магнито-

провода УШРТ с разнесенными обмотками больше высоты окна магнитопровода с одинарными обмотками при той же высоте каждой из обмоток. Кроме того, расстояние l0 в формуле (1.40) включает в себя удвоенную высоту ок-

на магнитопровода и потому значительно больше, чем при одинарных обмотках. И тем не менее общая высота магнитопровода УШРТ с разнесенными обмотками оказывается значительно меньшей, чем при одинарных обмотках (не разнесенных). Увеличение числа витков обмоток приводит к уменьшению сечения и соответственно диаметра магнитопровода. И это весьма существенно, т.к. сечение ярем при разнесенных обмотках больше, чем у однофазных УШРТ с магнитопроводом броневого типа (см. рис.1.12).

Вывод высокого напряжения целесообразно обеспечивать с ее середины для уменьшения расстояния между высоковольтной частью обмотки и ярмом, а вывод противоположного конца обмотки (соединенного с концами обмоток других фаз и заземляемого наглухо либо через дугогасящий реактор в случае резонансно-заземлненной нейтрали) целесообразно обеспечивать с краев другой части сетевой обмотки для уменьшения расстояния между двумя частями сетевой обмотки.

Разделение обмоток УШРТ на две равные части позволяет значительно уменьшить их высоту и наружный диаметр. В связи с этим создание УШРТ с разнесенными обмотками требуемой мощности на ультравысокие напряже-

ния оказывается вполне возможным, тогда как создание УШРТ с одинарными обмотками на ультравысокие напряжения (1000 кВ и выше) с габаритами, определяемыми правилами транспортировки, нереально.

Особенностью УШРТ с разнесенными обмотками является необходимость продления ярем до краев высоковольтных обмоток для обеспечения улавливания магнитного потока по выходе из межобмоточного пространства, а также для обеспечения крепления магнитных шунтов над обмотками (и под ними) согласно одному из вариантов рис.1.17.

В связи с изложенным общая длина ярем равна удвоенному наружному диаметру сетевой обмотки плюс изоляционное расстояние между двумя

и объема магнитных шунтов со средним диаметром d Ш.СР = d12 + a1 − a2

(см.§ 1.5), прикрывающих все четыре торца обмоток, по которым магнитный поток протекает в четырех различных направлениях,-

получаем общий объем стали магнитопровода УШРТ с разнесенными об-

Отсутствие боковых ярем управляемого реактора с разнесенными обмотками обеспечивает значительную экономию стали и определяет ограничение длины магнитопровода и соответственно длины бака УШРТР

Глава 2. Применение управляемых реакторов в электрических сетях

2.1. Управляемые шунтирующие реакторы на электропередачах сверхвысокого напряжения

Управляемый шунтирующий реактор представляет собой двухобмоточный трансформатор с напряжением короткого замыкания, равным фазному напряжению (см. §1.5). Его первичная (сетевая) обмотка постоянно подключена к линии, а нейтраль заземлена. Вторичная обмотка замкнута управляющим блоком. При применении в управляющем блоке тиристоров с регулируемыми углами зажигания предусматривается третья (компенсационная) обмотка КО, располагаемая между сетевой обмоткой (СО) и обмоткой управления (ОУ). Эта обмотка предназначена для подавления высших гармонических в токе реактора. Для подавления 3, 5 и 7 гармоник к КО подключены фильтры (см.рис.2.1). В зависимости от угла зажигания тиристоров (от нуля до 900) ток в обмотке управления изменяется от номинального до нуля, а в сетевой обмотке от номинального индуктивного тока до емкостного тока, обусловленного фильтрами высших гармонических.

Такой реактор трансформаторного типа (УШРТ) безинерционный. Путем быстрого изменения угла зажигания тиристоров его ток можно изменять за полпериода промышленной частоты во всем диапазоне регулирования (например, от нуля до номинального тока).

Потери мощности в таком реакторе такие же, как в трансформаторе той же мощности. Содержание высших гармонических в токе сетевой обмотки не превышает 2% от номинального тока во всем диапазоне его регулирования.

Такие характеристики УШРТ позволяют подключать их непосредственно к линиям электропередачи. В нормальных режимах работы линий они обеспечивают компенсацию избыточной зарядной мощности линий, автоматически следя за режимом работы электропередачи. В аварийных режимах (разрыв электропередачи, короткое замыкание на линии и т.п.) они быстро изменяют ток до необходимой величины, обеспечивая ограничение внутренних перенапряжений, быстрое погасание дуги короткого замыкания и т.п.

Uф

КО

С3 С5 С7

L3 L5 L7

СО

Рис.2.1. Принципиальная схема силовой части управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа: СО – сетевая обмотка, ОУ –обмотка управления, КО – компенсационная обмотка, ТБ – тиристорный блок управления, ВВ – вакуумный выключатель

Для полной компенсации избыточной зарядной мощности линии номинальный ток реактора должен быть равен зарядному току ненагруженной линии

где ω - угловая частота, l - длина линии или участка линии, избыточная реактивная мощности которого компенсируется реактором, v - скорость распространения электромагнитной волны вдоль линии.

Избыточный реактивный ток линии изменяется в зависимости от тока нагрузки I согласно соотношению

Более точные формулы для IР ИЗБ приведены в [14].

Соответственно должен изменяться ток реактора, обеспечивающий компенсацию IР.ИЗБ. Поэтому система управления реактором должна обеспечивать измерение тока нагрузки в линии (с помощью трансформатора тока), вычисление необходимого тока реактора по формуле (2.4) или более точной, измерение тока в сетевой обмотке реактора с помощью трансформатора тока, сравнение вычисленного и измеренного токов и выработку сигнала на изменение угла зажигания тиристоров в зависимости от знака разности вычисленного и измеренного токов реактора. При положительном значении этой разности угол зажигания тиристоров должен уменьшаться (чтобы обеспечить увеличение тока), при отрицательном значении этой разности - увеличиваться. Согласно формуле (2.1) при передаче мощности, близкой к натуральной, ток в сетевой обмотке реактора должен быть близким к нулю. Однако, для обеспечения устойчивости работы электропередачи необходимо иметь некоторый запас по регулированию тока. При передаче по линии натуральной мощности такой запас обеспечивается емкостным током через сетевую обмотку реактора, обусловленным фильтрами высших гармонических (см. §1.6). Поэтому нет никаких проблем обеспечения устойчивой передачи мощности вплоть до натуральной мощности линии.

На холостом ходу линии ее зарядный ток максимален и равен произведению IН·λ. Поэтому при внезапном сбросе нагрузки на линии (например, при разрыве электропередачи) необходимо обеспечить быстрое увеличение мощности реактора вплоть до номинальной, чтобы предотвратить повышение напряжения на линии сверх допустимого значения. С этой целью система управления реактора должна получать сигнал на отключение линейных выключателей и без задержки вырабатывать сигнал на увеличение мощности реактора до номинального значения. Поскольку время отключения выключа-

теля составляет несколько периодов промышленной частоты, ток через УШРТ достигает номинального значения до момента отключения линии.

Аналогично для включения линии под напряжение необходимо подать сигнал на систему управления УШРТ одновременно с сигналом на привод выключателя. В этом случае при появлении напряжения на линии ток через сетевую обмотку УШРТ будет равен номинальному току. Следует отметить трудность обеспечения синхронизирующего устройства УШРТ в этом случае, поскольку перед включением выключателя на линии напряжение отсутствует.

Для исключения возможных ошибок целесообразно параллельно тиристорному блоку управления устанавливать вакуумный выключатель, замыкающий накоротко обмотку управления УШРТ по сигналу на включение линейного выключателя. После включения линии с обеих сторон проблема синхронизации тиристорной системы управления отпадает и вакуумный выключатель должен быть немедленно отключен для обеспечения возможности регулирования тока реактора.

Вакуумный выключатель, параллельный тиристорному блоку, необходим и на случай повреждения тиристоров или управляющей цепи. В этом случае аварийная защита должна подать сигнал на включение вакуумного выключателя независимо от режима работы линии.

УШРТ имеет еще одну существенную особенность. Поскольку его напряжение короткого замыкания близко к 100% , любые замыкания в обмотке управления реактора не могут увеличить его ток свыше номинального. Поэтому не требуется силового выключателя для аварийного отключения УШРТ. Его аварийное отключение можно обеспечить выключателем нагрузки, а в неповрежденном состоянии - разъединителем, поскольку при отсутствии тока в ОУ ток в сетевой обмотке составляет доли процента (≈0,5%) от номинального тока. Следовательно, для профилактического отключения УШРТ необходимо обесточить ОУ реактора, для чего следует предусмотреть возможность подачи специального сигнала на закрытие тиристоров (на увеличение угла их зажигания до 90°). Естественно при повреждении высоковольтной обмотки УШРТ (например, замыкании части витков) ток через оставшуюся часть СО может увеличиться сверх номинального значения. Однако это крайне редкое явление должно рассматриваться как авария на линии, требующая ее отключения линейным выключателем.

Во всех остальных случаях работы релейной защиты реактора необходимо предусмотреть немедленное обесточивание ОУ (увеличением угла зажигания тиристоров до 90°) и подачу аварийного сигнала (светового и звукового) для дежурного оператора.

На случай сбоев в канале управления УШРТ по току в линии необходимо предусмотреть страховочный канал управления по напряжению. При повышении напряжения сверх допустимого этот канал должен послать сигнал на уменьшение угла зажигания тиристоров до нуля (на увеличение тока реактора до номинального значения).

Применение УШРТ позволяет существенно улучшить всю систему регулирования напряжения в электрических сетях. Рассмотрим схему выдачи мощности от электростанции в электрическую сеть через линию электропередачи с волновой длиной λ (Рис.2.2a). Отношение синхронного индуктивного сопротивления генераторов ХS к волновому сопротивлению линии электропередачи ZВ составляет ХS/ZВ=1÷2. При таких значениях синхронного сопротивления ХS чрезвычайно сложной является проблема регулирования напряжения на зажимах генераторов. Действительно, согласно [14] после преобразования волновых уравнений применительно к линиям сверхвысокого напряжения получаем соотношения для напряжения и тока в начале линии (при пренебрежении ее активным сопротивлением):

в)

Рис.2.2. Эквивалентная схема электропередачи

где вектор напряжения в конце линии совмещен с осью вещественных, а ток в конце линии принят равным

ZВ и λ - волновое сопротивление и волновая длина линии, РН - ее натуральная мощность, Р - передаваемая по линии мощность.

Модуль напряжения в начале линии равен согласно (2.5)

Э.д.с. Е за синхронным индуктивным сопротивлением источника напряжения ХS

При передаче натуральной мощности (Р=РН, cosϕ=1) и пренебреже-

нии активным сопротивлением линии напряжения по концам линии согласно (2.8) одинаковы

U1 = U 2 cos2 λ + sin2 λ = U 2 .

При Р=РН и cosϕ<1 напряжение в начале линии больше, чем в конце линии: U1>U2.

Напротив в режиме холостого хода (Р=0) согласно (2.8)

U1 = U 2 cos λ ,

что определяет повышение напряжения в конце линии U2 по отношению к напряжению в начале линии:

Из этих данных следует, что при типовой длине линий до 300-400 км (λ≈0,3-0,4 рад) напряжение в конце линии превышает напряжение в начале линии в допустимых пределах (на линиях 400 кВ и выше допускается повышение напряжения на 5%, на линиях 330 кВ - на 10%, на линиях 110-220 кВ - на 15%). Тем не менее в условиях эксплуатации напряжение на линиях может повышаться значительно больше. Определяется это повышение условиями работы генераторов на станциях.

В режиме холостого хода линий согласно (2.8) и (2.10) отношение модулей э.д.с. генераторов и напряжения в начале линии равно

Как видно, в режиме холостого хода E<U1, причем при увеличении α и λ отношение E/U1 уменьшается (см.табл.2.1).

Как видно, э.д.с. E в режиме холостого хода может быть значительно меньше напряжения на зажимах генераторов. Известно, однако, что режим работы генераторов с пониженной э.д.с. (с недовозбуждением E<U1) чрезвычайно неблагоприятен, поскольку при этом возникают большие магнитные потоки рассеяния, вызывающие разогрев лобовых частей обмоток и быстрое старение изоляции, а также разрушение стали статора. В связи с этим отношение E/U1, как правило ограничивается (E/U1>0,85), а для атомных электростанций - еще более жестко (E/U1>1). Практически это обеспечивается тем, что при достижении предельного значения E/U1 (0,85 или 1) регулятор генератора отключается и перестает поддерживать напряжение на зажимах генераторов U1. При фиксированном токе возбуждения значение э.д.с. Е фиксировано, а напряжение на зажимах генераторов увеличивается в соответствии с данными табл.2.1. Например, при λ=0,3 рад, α=1,5 отношение E/U1=0,54. С учетом допустимости отношения (E/U1)ДОП=0,85 напряжение на зажимах генераторов

Это напряжение трансформируется на высокую сторону. Такое повышение напряжения недопустимо в электрических сетях. Для его ограничения на линиях устанавливаются шунтирующие реакторы.

При наличии шунтирующих реакторов волновые уравнения линий видоизменяются.

Принимая шунтирующую компенсацию емкости линии реакторами равномерно распределенной вдоль линии получаем эквивалентную емкость на единицу длины линии

где β - степень компенсации зарядной мощности линии реакторами Поскольку в этом случае (без распределенной продольной емкостной

компенсации) индуктивность линии сохраняется неизменной, ее эквивалентное волновое сопротивление равно

В частном случае 100%-ой компенсации зарядной мощности линии β=1 Zэ=∞ и λэ=0. Это означает, что линия полностью теряет свои волновые свойства и ее эквивалентная схема при любой длине принимает вид, изображенный на рис.2.2,б, где

В другом частном случае 100%-ой компенсации только избыточной зарядной мощности линии согласно формуле (2.4) мощность реакторов изменяется согласно соотношению

Согласно эквивалентной схеме рис.2.2,б и в соответствии с уравнениями (2.5), (2.6) и формулой (2.15) при 100%-ной компенсации зарядной мощности линии

откуда

В этом случае (β=1) при любой передаваемой мощности и любой длине линии отношение E/U1≥1, а в режиме холостого хода линии (Р/Рн=0) E/U1=1 независимо от длины линии. Таким образом, при β=1 обеспечиваются приемлемые условия работы генераторов во всем возможном диапазоне передачи электрической энергии (см. рис.2.3).

0,4

б)

Рис.2.3. Зависимости отношения Е/U1 от отношения Р/РН для генераторов с синхронным индуктивным сопротивлением XS=ZВ (а) и XS=1,5ZВ (б), работающих на линию длиной 300 км (f=50 Гц): 1 - без ШР, 2 - с ФШР, обеспечивающими 100%-ную компенсацию зарядной мощности линии, 3 - с УШРТ такой же номинальной мощности

Однако наличие шунтирующих реакторов на линии ограничивает их пропускную способность. Действительно, формула (2.20) позволяет определить предельное отношение передаваемой мощности к натуральной при заданном допустимом перепаде напряжения вдоль линии U1/U2 и β=1

тогда как при отсутствии шунтирующих реакторов на линии согласно (2.8)

Разность предельных отношений Р/Рн при отсутствии ШР и при 100%- ой компенсации зарядной мощности линии (β=1)

Как видно, разность предельных отношений Р/Рн при отсутствии ШР и при Qp=Pн·λ тем больше, чем больше угол ϕ сдвига тока относительно напряжения в конце линии. В частности при передаче чисто активной мощности (ϕ=0)

Для линий длиной 300-400 км эта разность весьма существенна (см. рис.2.4). Так, например, при длине линии 300 км (λ=0,314 рад при ƒ=50 Гц)

разность предельных отношений Р/Рн при отсутствии ШР и при Qp=Pн·λ при

ϕ=0 составляет 28%, тогда как при длине линии 500 км (λ=0,523 рад) эта разность составляет 50%. При наличии реактивной нагрузки эта разность еще больше.

По этой причине, как правило, на линиях ограниченной длины (до 300-400 км) устанавливают ШР, мощность которых значительно меньше зарядной мощности линии, но обеспечивает приемлемое для генераторов отношение E/U1.

Необходимая степень компенсации зарядной мощности линии при заданном отношении E/U1 может быть определена из волновых уравнений (2.5), (2.6) при подстановке в них эквивалентных параметров (2.13), (2.14)